Ultraljudsavbildningsbaserad avkänning av mänsklig fotledsrörelseavsikt och kontrollstrategier för fotledshjälp

Studien kommer att rekrytera upp till 20 personer utan neuromuskulära sjukdomar och 5 personer med ofullständig ryggmärgsskada (iSCI) eller transversell myelit, som är 18-64 år gamla för experiment. Forskningsaktiviteter omfattar i genomsnitt 8 experimentella sessioner. Sessionerna kan vara fler eller färre än 8 sessioner beroende på ämnets tillgänglighet, tillräcklig data för analys eller behov av att få fram mer data för analysen. Det första syftet är att undersöka ultraljudsmätningar av muskelrörelser och muskelelektrisk aktivitet (sEMG) för att förutsäga den frivilliga rörelsen eller vridmomentet som produceras vid den mänskliga fotleden. Baserat på den frivilliga rörelsen eller vridmomentet kommer funktionell elektrisk stimulering (FES) att användas för att artificiellt stimulera fotledsmusklerna eller så kommer ett driven fotledsexoskelett att användas för att ge ytterligare hjälp vid fotleden. FES-elektroder kommer att placeras på lämpliga ställen vid hudytan av den nedre extremiteten så att den mest optimala rörelsen erhålls.

Uppgift Typ 1: Frivilligt sittande statliga uppgifter utan och med extern hjälp.

Session 1: Frivillig ankel upp och ankel ner rörelse utan FES. Ett par sEMG-sensorer kommer att placeras på deltagarens underbensmuskler fram och bak genom dubbelsidiga tejper. Ett par amerikanska bildtransduktorer kommer att fästas på samma underbens fram- och bakmuskler för att avbilda muskelns aktiviteter under fotledens upp- och nedåtgående rörelse. Ett par rörelsesensorer kommer att fästas på skaftet och foten för att mäta ankelledens vinkelposition och hastighet. En kraftsensor kommer att placeras mellan fotsulan och en styv platt plattform för att mäta interaktionskraften under rörelsen med ankeln uppåt och nedåt. Amerikanska bildmätningar, de elektriska signalerna från sEMG-sensorer, kontaktkraften från kraftsensorn och rörelsesensorn och kameramätningarna kommer att samlas in samtidigt. Data kan samlas in från en eller båda av en deltagares ben.

Session 2: Frivillig vriströrelse mot insidan och utsidan utan FES. Under pass 2 kommer deltagaren att utföra fotledsrörelser från sida till sida. En liknande träningsprocedur, som i session 1, kommer att föreskrivas före själva experimenten. Flera mätningar från sensorerna (samma som i session 1) fästa på deltagarens ben och fot kommer att erhållas under fotledsrörelsen från sida till sida. Både i session 1 och session 2, för varje rörelseriktning (upp, ner, inuti och utanför), kommer 10 upprepade försök att köras, och varje försök kommer att pågå i 10 minuter inklusive träning, datainsamling, datalagring och viloperiod för att undvika muskeltrötthet. Varje session kan pågå i upp till 4 timmar.

Session 3: Hjälpande fotled upp och ner rörelse med FES. En liknande konfiguration som nämndes i session 1 kommer att tillämpas i denna session. Dessutom kommer FES att användas för att styra fotleden upp eller ner i en rörelse genom att ta de amerikanska avbildningsbaserade mätningarna som feedback. I FES-systemet kommer den negativa elektroden att placeras över muskelbuken på den främre muskeln, medan den positiva elektroden placeras längre ner på skaftet. För fotled nedåt kommer två stora elektroder att användas för att möjliggöra aktivering av hela ryggmusklerna. Dessa elektroder kommer att kopplas till en elektrisk stimulator, som styrs via datorprogramvara. För både ankel up och ankel down rörelse kommer en lågströmsvågform att användas med 100-400 mikrosekunders pulsbredd och 20-40 Hz frekvens. Strömområdet kommer att vara mellan 0-60 mA. I alla fall kommer den pulslängd som definieras för användning inte att överskrida den övre gränsen på 400 mikrosekunder. Stimuleringsparametrarna som används för en deltagare kommer att dokumenteras för varje experimentell session och eventuella förändringar i stimuleringsparametrarna under en session kommer också att registreras.

Session 4: Assisterande fotledssidorörelse mot insidan och utsidan med FES-systemet. En liknande konfiguration som nämndes i session 2 kommer att tillämpas i denna session. FES kommer att användas för att artificiellt stimulera musklerna och kontrollera fotledens sidorörelser mot insidan eller utsidan genom att ta de amerikanska avbildningsbaserade mätningarna som feedback. För både fotledsrörelser mot insidan och utsidan kommer samma FES-parametrar och moduleringsmetod att implementeras som beskrivs i session 3. Under experimentprocedurerna kommer de amerikanska avbildningsbaserade mätningarna och rörelse- och kameramätningarna att samlas in samtidigt. Data kan samlas in från en eller båda av deltagarnas ben. Både i session 3 och session 4, för varje rörelseriktning (upp, ner, inuti och utanför), kommer 10 upprepade försök att köras, och varje försök kommer att pågå i 10 minuter inklusive träning, datainsamling, datalagring och viloperiod för att undvika muskeltrötthet. Varje session kan pågå i upp till 4 timmar. Deltagaren kan bli ombedd att återkomma om data som erhållits under en session inte befinns vara tillfredsställande under analysen. Nästa besök kommer att genomföras när det passar deltagaren och minst efter 24 timmar för session 1 och 2, samt 72 timmar för session 3 och 4.

Uppgift Typ 2: Frivilliga dynamiska gånguppgifter på löpband utan och med extern assistans Lektion 5: Dynamisk gånguppgift utan FES eller fotledsexoskelett. I likhet med session 1 och session 3 i Task Type 1, kommer sEMG-sensorerna och ultraljudsavbildningsgivare att fästas på samma positioner på främre och bakre skaftet som nämnts tidigare. Flera reflekterande markörer kommer att fästas på försökspersonens nedre extremiteter för att mäta kinematikdata baserat på ett motion capture-system. Under pass 5 kommer deltagaren att bli ombedd att stå stilla i 30 sekunder på löpbandet med två delade bälten. Kraftsensorerna under varje bälte kommer att användas för att mäta markreaktionskraften mellan bältet och deltagarens fotsulor, och samtidigt kommer sEMG-signalerna och ultraljudsavbildning av underbensmusklerna också att samlas in under den statiska stående ställningen . Därefter kommer deltagaren att uppmanas att gå på löpbandet med 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 och 1,5 m/s. För varje hastighet kommer de första 5 minuters promenad att ges som en uppvärmning för att deltagaren ska vänja sig vid gångmönstret med det bärbara. Efter uppvärmningen, under de följande 2 minuterna för varje gånghastighet, kommer markens reaktionskraft, sEMG-signaler och ultraljudsavbildning av underbensmusklerna och koordinaterna för de reflekterande markörerna att registreras synkront och samtidigt.

Session 6: Dynamisk gånguppgift med FES eller fotledsexoskelett men ingen motordriven assistans. Förutom uppställningen som beskrivs i session 1, kommer FES-elektroderna att placeras på den främre skaftmuskeln och ankelns exoskelett kommer att placeras på det bakre skaftet. Samma datainsamling som nämndes i session 5 kommer också att inkluderas. I denna session kommer det inte att finnas någon stimulering på deltagarens skelettmuskler och ingen kraft för fotledens exoskelettmotor.

Session 7: Dynamisk gånguppgift med FES eller ankel exoskelett baserat på en gammal kontrollmetod. Den experimentella uppställningen och procedurerna kommer att hållas desamma som nämnts i session 2. Under den dynamiska gånguppgiften kommer det drivna FES-systemet och ankelns exoskelette att användas för att ge assistans för tå upp och tå ner rörelser enligt mänsklig rörelseavsikt baserat på en vanlig tillämpad kontrollmetod i andra publikationer. Under var och en av de 2 minuter långa datainsamlingstiden kommer sEMG-signalerna att samlas in och bearbetas i realtid för att styra FES eller ankel exoskelettsystemet. Dessutom kommer tidssekvensen för ultraljudsavbildning från de främre och bakre skaftmusklerna, de reflekterande markörernas koordinater, markens reaktionskraft, FES-strömamplituden eller pulsbredden och exoskelettmotorns vridmoment att samlas in synkront och samtidigt.

Session 8: Dynamisk gånguppgift med FES eller fotleds exoskelett baserat på kontrollmetoden med hjälp vid behov genom kombination av ultraljudsbild och sEMG. Den experimentella uppställningen och procedurerna kommer att hållas desamma som nämndes i session 7. Den enda skillnaden är att den gamla kontrollmetoden kommer att ersättas av den nyligen föreslagna kontrollmetoden för assistans vid behov genom att kombinera ultraljudsavbildning och sEMG-signaler. Datainsamlingen kommer att förbli densamma som session 7. Bland pass 5-8 i avsnitt 2, efter 7 minuters gång under varje hastighet, kommer en 10 minuters viloperiod att ges. Varje session kan pågå i upp till 4 timmar, inklusive kalibrering av motion capture-systemet och inställningar av enheter cirka 45 minuter, och gångexperiment på löpbandet cirka 3 timmar. Deltagaren kan bli ombedd att återkomma om data som erhållits under en session inte befinns vara tillfredsställande under analysen. Nästa besök kommer att genomföras när det passar deltagaren och minst efter 72 timmar. Dessutom, av säkerhetsskäl, för sessionerna 3, 4, 7 och 8, kommer en säkerhetsstoppknapp att läggas till så att deltagaren kan stoppa experimentet närhelst deltagaren vill stoppa experimenten eller deltagaren ska känna sig obekväm under experimentet .

För deltagare med iSCI eller transversell myelit: Innan deltagaren är redo att delta i denna studie kommer deltagarna att bli ombedda att fylla i några frågeformulär som kommer att samla in demografisk information och deras medicinska historia. Deltagaren kommer också att delta i en fysisk undersökning. Den fysiska undersökningen kommer att slutföras av Dr. Christine Cleveland, en läkare vid poliklinisk rehabiliteringsklinik i Chapel Hill. Den fysiska undersökningen och ifyllningen av anamnesformulär tar 60 minuter. Den fysiska undersökningen kommer att bestå av en sensorisk undersökning (där deltagaren kommer att bli ombedd att blunda och rapportera om om deltagaren känner en lätt beröringskänsla som en bomullstuss och om deltagaren kan urskilja en skarp och tråkig sensation), och en motorisk undersökning (där utredarna kommer att undersöka deltagarens förmåga att röra sina armar och ben). Utredarna kommer också att ta deltagarens hjärtfrekvens och blodtryck. Vid graviditet kommer deltagaren inte att vara berättigad att delta i studien och måste avbryta studien. Utredarna kommer att screena för att kontrollera känslighet eller svar på FES. Syftet med detta test är att låta deltagaren uppleva FES, och baserat på erfarenheten avgöra om stimuleringen är acceptabel och deltagaren är villig att delta i studien. Ett teststimuleringståg kommer att appliceras på deltagarens underbensmuskel. Deltagaren kan när som helst avbryta detta test och vägra delta ytterligare. Om deltagaren svarar på FES utan erfarenhet av smärta och önskar delta i denna studie, kommer utredarna att kontakta deltagarens läkare för att få ett medicinskt tillstånd och verifiering av deltagarens skadenivå, innan den faktiska studien påbörjas. Deltagaren kommer att behöva skaffa ett undertecknat medicinskt intyg från sin läkare innan han eller hon deltar i studien. Efter att ha fått tillstånd från läkaren att delta i denna studie och om deltagaren är berättigad (be Nitin Sharma eller forskargruppsmedlemmen att ge deltagaren en checklista för behörighet för grupp S) och välja att delta i denna studie, kommer deltagaren att uppmanas att komma till PI:s laboratorium och BME gånglab för att fylla i samtyckesformuläret under det första besöket.